锅炉烟气中回收SO2制焦亚硫酸钠技术的应用

吴家禹，刘大华，许芸，徐延忠

工艺与装备

锅炉烟气中回收SO2制焦亚硫酸钠技术的应用

吴家禹1，刘大华2，3，许芸4，徐延忠2，3

（1. 北京国电电力有限公司大连开发区热电厂， 辽宁 大连 116600； 2. 江苏德义通环保科技有限公司， 江苏 南京 210000；3. 南京市硫资源化工程技术研究中心， 江苏 南京 210000； 4. 国电环境保护研究院有限公司， 江苏 南京 210000）

基于大连某燃煤锅炉烟气“干式炭基催化法”示范工程的SO2资源化制焦亚硫酸钠项目，通过系统的工艺计算及优化，完成了SO2资源化制焦亚硫酸钠项目的工艺流程搭建和主要设备选型。工程应用结果表明：产出的焦亚硫酸钠纯度为96.8%（第三方检测结果），系统对SO2的吸收效率为99.9%（第三方检测结果），纯碱回收率约99.8%，尾气中粉尘含量约为7.6 mg·Nm-3。该项目流程设计和设备选型合理，达到预期效果，值得在行业内推广。

焦亚硫酸钠；燃煤锅炉烟气；SO2资源化；干式炭基催化法

随着我国燃煤锅炉烟气排放和脱硫副产物固废排放的要求越来越严格，以及从烟气中回收硫资源具有较好的经济价值，在锅炉烟气脱硫工艺中选择可回收烟气中SO2的资源化工艺正在被研究和应用[1-4]。其中，“干式炭基催化法”烟气处理工艺可以多污染物协同控制[5-8]，并可以将烟气中的SO2资源化回收用于生产焦亚硫酸钠化工产品，该化工产品市场需求旺盛，应用前景广阔。

本文基于大连某燃煤锅炉烟气“干式炭基催化法”示范工程的SO2资源化制焦亚硫酸钠项目，根据烟气条件、高浓度SO2再生气体条件和焦亚硫酸钠产品品质要求，通过系统的工艺计算及优化，完成了SO2资源化制焦亚硫酸钠项目的工艺流程搭建、主要设备选型与项目工程建设。实际工程投运结果表明，该项目工程设计合理、设备选型得当、SO2吸收利用效率和产品品质优于设计要求，可为燃煤锅炉烟气类似SO2资源化制焦亚硫酸钠装置的设计和应用提供经验借鉴。

1 设计条件

大连某燃煤锅炉“干式炭基催化法”烟气处理示范工程，烟气量约200 000 m3·h-1，烟气中SO2含量约2 000 mg·Nm-3，经过示范工程解吸产出的高浓度SO2再生气体成分参数如表1。

本项目设计要求：在正常工况下，SO2吸收利用效率大于98.5%，产品品质达到HG/T 2826—2008《工业焦亚硫酸钠》一等品质量（纯度不小于95.0%）。

2 反应原理

焦亚硫酸钠（Na2S2O5）为白色或微黄色结晶粉末，相对密度1.4，溶于水。受潮易分解，露置空气中易氧化成硫酸钠，加热到150 ℃分解。作为化工原料或抗氧化剂，该产品广泛应用于医药、造纸、食品、印染、橡胶、冶金和废水处理等工业和行业[9-13]，市场前景非常广阔。

表1 高浓度SO2再生气体成分参数表

注：气体温度约400 ℃，N2为惰性气体。

焦亚硫酸钠的基本生产原料为SO2气体及工业纯碱，本项目中SO2气体来源于“干式炭基催化法”烟气处理示范工程的炭基催化剂解吸的再生气体，需要经过净化后才能用于生产。焦亚硫酸钠的生产过程包括如下几个步骤：将SO2气体通入纯碱浆液中产生亚硫酸钠氢钠，见化学反应式（1）；亚硫酸氢钠浆液中再加纯碱生成亚硫酸钠，见化学反应式（2）；亚硫酸钠再与SO2气体反应又生成亚硫酸氢钠，见化学反应式（3）；当溶液中亚硫酸氢钠含量达到饱和浓度时加合适的反应条件，两分子亚硫酸氢钠缩合反应减去一分子水，产生焦亚硫酸钠晶体[12-14]，见化学反应式（4）。通过离心机对含有焦亚硫酸钠晶体的浆液进行离心分离得到焦亚硫酸钠湿料，在通过脉冲气流干燥系统和包装系统，得到焦亚硫酸钠固体产品。

Na2CO3+ 2SO2+ H2O = 2NaHSO3+ CO2（1）

Na2CO3+ 2NaHSO3= 2Na2SO3+ CO2+ H2O （2）

Na2SO3+ SO2+ H2O = 2NaHSO3（3）

2NaHSO3= Na2S2O5+ H2O （4）

3 工艺流程

本项目工艺流程如图1，整个工艺流程包括5个系统：再生气体净化系统、焦亚硫酸钠反应系统、离心分离干燥包装系统、配碱系统和尾气处理系统。

图1 本项目工艺流程图

3.1 再生气体净化系统

“干式炭基催化法”烟气处理示范工程解吸的再生气体温度约400 ℃，主要用于焦亚硫酸钠生产的成分为SO2，但再生气体含有大量杂质，包括CO2、NH3、SO3、HCl、HF和碳粉等，所以在再生气体进入焦亚硫酸钠反应系统之前必须净化除杂。本项目采用“高效文丘里一级塔和增强填料二级塔”两级净化方式，将再生气体中的杂质去除，得到较为纯净的SO2气体作为焦亚硫酸钠的反应原料。

3.2 焦亚硫酸钠反应系统

本项目采用江苏南京某科技公司的“高效低阻三级反应系统”技术（反应器命名为：A、B和C）。SO2气体与碱性浆液为多次逆流接触，SO2气体的流经路线为：A→B→C，碱性浆液的路线为：C→B→A。另外，该反应器的特点是：吸收效率高达99.5%以上，气体阻力低至单台反应器3 kPa（传统的反应釜式阻力单台约15～20 kPa），反应系统的高效低阻特性保证了整个系统的高效平稳运行，反应合成的带有焦亚硫酸钠晶体的浆液进入离心分离干燥包装系统。

3.3 离心分离干燥包装系统

来自焦亚硫酸钠反应系统含有晶体的浆液首先进入浓缩结晶器，经过充分的提浓和养晶后进入离心机，离心后的母液进行配碱回用于焦亚硫酸钠的生产系统，离心后的固体焦亚硫酸钠（含水率约6%～8%）进入气流脉冲干燥机，将焦亚硫酸钠固体干燥至含水率小于1.0%，然后通过包装机包装成袋装焦亚硫酸钠商品。

3.4 配碱系统

配碱系统用于给整个焦亚硫酸钠的生产提供纯碱浆液，以保证SO2的吸收利用效率。经过离心机离心后的清液（母液）进入配碱系统，通过再次加入纯碱变成浆液，通过给料泵打入第三级反应器，作为反应系统的补液，同时，如果系统中水消耗变少，在配碱过程中也进入适量的除盐水以向系统补充水。

3.5 尾气处理系统

焦亚硫酸钠反应系统的反应尾气和干燥焦亚硫酸钠的干燥尾气汇总后，通过布袋收尘器出去气体中带有的焦亚硫酸钠粉，使尾气中粉尘小于10 mg·Nm-3，该尾气回至“干式炭基催化法”烟气处理示范工程入口烟道或电厂现有的脱硫系统前，与原烟气一起进入烟气处理系统进行处理，故焦亚硫酸钠系统无废气排放。

4 工艺设备选型

4.1 工艺设计参数

本项目确定的主要工艺设计参数如表2，以该工艺设计参数为条件，通过工艺计算，确定优化的工艺流程和主要设备选型。

表2 主要工艺设计参数表

4.2 设备选型

根据工艺参数和工艺计算，本项目焦亚硫酸钠装置的主要设备选型参数如表3。

5 工程应用情况

该工程于2021年8月开始设计，2022年2月底调试完成正式投运，投运后系统一直运行稳定可靠，运行结果为：所生产的产品焦亚硫酸钠品质纯度96.8%（第三方检测结果），系统对SO2的吸收效率为99.9%（第三方检测结果），纯碱回收率约99.8%，尾气SO2体积分数浓度约0.02%，尾气中粉尘含量（经布袋除尘器后）约为7.6 mg·Nm-3，该项目运行工艺指标达到并优于设计值，满足协议规定的要求。

6 结论

基于大连某燃煤锅炉烟气“干式炭基催化法”示范工程的SO2资源化制焦亚硫酸钠项目，通过系统的工艺计算及优化，完成了SO2资源化制焦亚硫酸钠项目的工艺流程搭建、主要设备选型与项目工程建设。

表3 主要设备选型规格表

装置投运后，产品品质、对SO2的吸收率、纯碱回收率、尾气中SO2体积浓度和尾气中粉尘含量等各项指标均达到或优于设计要求，具有突出的环境价值和可观的资源化回收经济价值，该项目的成功应用给燃煤锅炉烟气中的SO2资源化利用提供了方向，值得在行业内推广。

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Application of Technology Using Recovered Sulfur Dioxide From Boiler Flue Gas to Produce Sodium Metabisulfite

1,2,3,4,2,3

(1. Beijing GD Power Dalian Development Area Co-Generation Power Plant, Dalian Liaoning 116600, China; 2. Jiangsu Deyitong Environmental Protection Technology Co., Ltd., Nanjing Jiangsu 210000, China; 3. Nanjing Sulfur Resource Recycling Engineering technology Research Center, Nanjing Jiangsu 210000, China; 4. Guodian Environmental Protection Research Institute Co.,Ltd., Nanjing Jiangsu 210000, China)

The project of using recovered sulfur dioxide to produce sodium metabisulfite was constructed based on the demonstration project of “dry carbon-based catalytic method” coal-fired boiler flue gas treatment in Dalian, through systematic process calculation and process optimization, the process construction and main equipment selection of sodium metabisulfite project were completed. The project application results show that, the purity of sodium metabisulfite is 96.8% (third-party detection), the absorption efficiency of sulfur dioxide is 99.9% (third-party detection), the recovery rate of soda ash is 99.8%, and the dust content in exhaust gas is 7.6mg·Nm-3. The project process design and equipment selection are reasonable, the process has achieved the desired effect and is worth promoting in the coal-fired flue gas industry.

Sodium metabisulfite; Coal-fired boiler flue gas; Sulfur dioxide resource utilization; Dry carbon-based catalytic method

国家重点研发计划资质项目，燃煤电站多污染物协同控制与资源化技术及装备(项目编号：2017YFC0210200)。

2021-07-26

吴家禹（1990-），男，吉林白城人，研究方向：电厂生产技术及管理工作。

刘大华（1983-），男，硕士，研究方向：大气污染控制及污染物资源化技术。

TQ06；X701

A

1004-0935（2023）01-0041-04